金刚石薄膜的生长原理

金刚石薄膜的生长原理

生长单晶金刚石薄膜所用气源主要有氢气 (H2) 、甲烷(CH4) 、氮气(N2) 和氧气(O2)，在微波的激励作用下，反应腔体中形成等离子体。反应气体在腔体内裂解成H、O、N原子或CH2、CH3、C2H2、OH等一系列活性基团。含碳活性基团(CH2、CH3、C2H2)将在金刚石薄膜表层形成气固混合界面，在动态平衡模型或非平衡热力学下实现金刚石(sp3)、非晶碳或石墨(sp2)的生长。由于氢等离子体刻蚀非晶碳或石墨( sp2) 的速度比刻蚀金刚石(sp3)快得多，因此CVD金刚石薄膜表层的非金刚石相被快速刻蚀，从而实现金刚石生长。具体可以由以下几个过程实现：

A→B 过程: 在微波等离子体的作用下，金刚石表层的C-H键断开，其中脱离的H原子和等离子体中的H原子结合并形成H2，金刚石表层则将形成碳的悬挂键和多余的电子。

B→C 过程: 等离子体中的一个甲基(CH3) 和金刚石表层多余的电子形成共价键。

C→D 过程: 金刚石表层的甲基失去一个H原子，从而裸漏出电子。

D→E 过程: 金刚石表层的碳环打开，形成一个多余的电子和一个C = C键。

E→F 过程: 金刚石表层的C = C键转变为C-C和多余的电子，并和金刚石表层多余的电子形成新的C-C键，从而将碳源合并到金刚石表层。

F→G 过程: 等离子体中H原子和金刚石表层多余的电子相结合。

通过 A→G 多次循环就实现了单晶金刚石薄膜的生长。